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mecanica de suelos
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W. David Supo P.
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UNIDAD DIDÁCTICA II
2. ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN DE SUELOS
2.1. ESTRUCTURA DEL SUELO Y TEXTURA DE LAS ARCILLAS
2.1.1. ESTRUCTURA
Es tanto el arreglo geométrico de las partículas o granos minerales, como
las fuerzas entre partículas que pueden actuar sobre ellas. Incluye
gradación, relación de vacíos, agentes ligantes, y fuerzas eléctricas
asociadas.
2.1.2. ESTRUCTURA EN SUELOS GRANULARES
El ordenamiento de las partículas individuales en un suelo granular puede
recibir el nombre de arreglo y está fuertemente influido por la distribución
del tamaño de las partículas y por su forma.
El suelo sin cohesión tiende a formar una estructura GRANULAR SIMPLE,
la cual puede ser suelta o densa. Las estructuras granulares simples se
forman cuando los granos de suelo sedimentan independientemente en
una suspensión suelo-agua, a diferencia de la sedimentación por
“floculación”. Generalmente las partículas mayores a cerca de 0.01 mm
formarán estructuras granulares simples. Este tamaño es lo bastante grande
como para que las fuerzas inter-particulares y las fuerzas iónicas del agua
sean insuficientes para vencer las fuerzas gravitacionales que actúan en los
granos del suelo. Los montones de limo puro, arena, grava o mezclas de
arena limosa, grava arenosa, etc. Son estructuras granulares simples. Las
partículas muy pequeñas, del orden de 0.001 mm y menores, son coloides.
Los coloides son lo suficientemente pequeños como para ser más afectados
por las fuerzas interparticulares e iónicas en suspensiones suelo-agua, que
por las fuerzas gravitacionales. Los minerales arcillosos son partículas
menores de 0.002 mm pero su comportamiento es tal que serán
considerados separadamente.
Los suelos que verdaderamente no tienen cohesión, solo pueden ser
encontrados en depósitos de suelos transportados, en los que el viento o el
agua ha removido los contaminantes coloidales o de minerales arcillosos o
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de ambos. Los depósitos sin cohesión típicos incluyen bancos de arena y
grava en corrientes de agua, depósitos aluvionales, glaciares selectos,
algunos drumlines y éskeres, arenas de dunas y playas, y depósitos
similares. A veces se pueden lavar otros depósitos para remover los
materiales cohesivos y producir arenas y gravas.
Imagen 1. Rasgos deposicionales (suelos glaciares)
Tabla 1. Límites de tamaño de suelos granulares
Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das
W. David Supo P.
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En donde los granos del suelo son de alrededor de 5 a 0.05 mm (arena
gruesa a fina), la presencia de pequeñas cantidades de agua puede alterar
considerablemente el comportamiento de ingeniería. La tensión superficial
del agua en condiciones de Gw mucho menores al 100% es suficiente para
restringir el movimiento de las partículas en este intervalo de tamaños,
produciendo una “cohesión aparente”, que desaparece cuando el suelo
seca. Prácticamente, la cohesión aparente permite cortes casi verticales en
arena o una mayor movilidad de vehículos con neumáticos sobre arena
húmeda. La cohesión aparente inhibe el reordenamiento o produce lo que
comúnmente se denomina abultamiento (o entumecimiento).
Imagen 2. Efecto cualitativo del entumecimiento en el peso
unitario seco.
A un contenido de agua cero, el peso unitario está cercano al máximo
posible para cierto consumo de energía. A contenidos de agua intermedios,
el abultamiento o acumulación de tensión superficial, restringe el
movimiento de partículas y el peso unitario decrece. A medida que se
agrega más agua, algunos de los poros llegan a saturarse, con pérdida de
tensión superficial y aumento de la compacidad. A S=100%, se pierde
todo el efecto de la tensión superficial y junto con cierto efecto de
lubricación en las partículas, se obtiene el peso unitario máximo. En
operaciones de densificación de terreno, en las que agregar agua no afecta
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en forma perjudicial al suelo adyacente, el inundar una arena (para
asegurar S=100%) ayudará considerablemente a aumentar el peso
unitario.
El arreglo óptimo de un suelo granular resulta en peso unitario más alto y
relación de vacíos mínima, emin. Recíprocamente, un arreglo (o
compacidad) mínimo resulta en el estado más suelto y relación de vacíos
máxima emax. El estado más suelto se obtiene aproximadamente vertiendo
arena seca en un molde calibrado. A veces se permite que la arena caiga a
través de agua para producir peso y volumen conocidos. Con Gs, el
volumen del molde y el peso del suelo en el molde, se calcula fácilmente la
relación de vacíos. El estado más denso se obtiene por vibración de una
masa confinada de arena y midiendo el volumen.
La densidad relativa es una medida de la relación de vacíos in situ,
referida a los valores de laboratorio de los índices de huecos máximo y
mínimo, como:
Es más fácil determinar la Dr
mediante los pesos unitarios,
porque no requiere de una
determinación de la gravedad
específica.
Un gran volumen de
investigación (las últimas han
sido publicadas en ASTM 1973)
indica que la Dr no es una
propiedad índice del suelo muy
W. David Supo P.
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confiable. Es muy posible que para dos arenas con valores idénticos, in situ,
de las relaciones de vacíos en y de la Dr se tenga un comportamiento de
ingeniería significativamente diferente, debido a las diferencias en la forma
del grano, la cementación, el confinamiento y la estratificación resultantes
de la depositación y de la historia de tensiones.
Los suelo granulares pueden adquirir denominaciones en cuanto al estado
de su compasidad, como se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 2. Denominación según la compasidad
Tabla 3. Valores típicos de Gs
Suelo Gs Arena Grava Arcilla (inorgánica) Arcilla (orgánica) Limo
2.65 – 2.68 2.65 – 2.68 2.68 – 2.72 2.62 – 2.66 2.65 – 2.68
Fuente: (1)
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Tabla 4. Compacidad máxima y mínima de suelos granulares
PROBLEMAS ILUSTRATIVOS
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2.1.3. ESTRUCTURA EN SUELOS COHESIVOS
Puede definirse un suelo cohesivo una colección de partículas minerales
que tienen un índice de plasticidad definido por los límites de Atterberg y
que forma una masa coherente al secarse, de tal forma que se requiere una
fuerza para separar los granos microscópicos individuales. Los ingredientes
necesarios para dar cohesión a un depósito son los minerales arcillosos. El
grado de cohesión depende de los tamaños relativos y de las cantidades de
diversos granos de suelos y materiales arcillosos presentes. Generalmente,
cuando más del 50% del depósito está formado por partículas de 0.002
mm y menores, el depósito se llama “arcilla”. Con este porcentaje relativo,
las partículas mayores del suelo están suspendidas en una matriz de suelo
fino. Cuando 80 a 90% del material del depósito es menor que la malla No.
200 (0.075 mm), una pequeña cantidad, 5 a 10% de arcilla, puede dar al
suelo el nombre de cohesivo.
Rara vez existe en estado natural un depósito de pura arcilla, está casi
siempre contaminada con limo y/o partículas de arena fina, así como
también con tamaños coloidales (<0.001 mm). Los coloides, a veces
llamados polvo de roca, son el subproducto de la abrasión de la roca y no
poseen propiedades de los minerales arcillosos, aunque el intervalo de los
tamaños sea similar.
La descripción completa de la estructura de un suelo cohesivo de grano
fino requiere de un conocimiento de las fuerzas interparticulares y del
arreglo geométrico o textura de las partículas.
Las fuerzas entre partículas parecen originarse de tres tipos diferentes de
cargas eléctricas:
a. Enlaces iónicos1. Debidos a una deficiencia de electrones en las capas
exteriores de átomos que componen las unidades básicas del suelo.
b. Enlaces de van der Waals2. Enlace debido a alternaciones en el número
de electrones en cualquier instante a un lado del núcleo atómico.
1En química, el enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostática entre los iones de
distinto signo, es decir uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta
afinidad electrónica). Así pues se da cuando en el enlace uno de los átomos capta electrones del otro. 2En química física, la fuerza de van der Waals (o interacción de van der Waals), denominada así en honor al científico
holandés Johannes Diderik van der Waals, es la fuerza atractiva o repulsiva entre moléculas (o entre partes de una misma
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c. Otros. Incluye enlaces de hidrógeno y la atracción gravitacional entre
dos cuerpos.
Las primeras descripciones del suelo cohesivo incluían estructuras
panaloides, floculentas y dispersas. Estos términos son todavía
ampliamente usados para describir la estructura total del suelo cohesivo. La
estructura panaloide bien puede corresponder a una situación en la que los
grumos forman agrupamiento particulares durante la sedimentación. La
estructura floculenta puede corresponder a una situación en la que los
granos de limo atraen revestimientos de minerales arcillosos o formaciones
de grupos de grumos y así producir la estructura floculenta porosa y
errática.
A) Estructura panaloide.
Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.002
mm de diámetro o algo menores) que se depositan en un medio continuo,
normalmente agua y, en ocasiones aire.
En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a
sedimentarse, pero dada su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden
hacerse de magnitud comparable; concretamente, si la partícula, antes de
llegar al fondo del depósito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de
adherencia desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo
que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra
partícula puede ahora añadírsele y el conjunto de ellas podrá llegar a
formar una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal (ver
figura).
molécula) distintas a aquellas debidas al enlace covalente o a la interacción electrostática de iones con otros o con moléculas
neutras.
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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Imagen 3. Estructura panaloide
FUENTE: Mecánica de Suelos, J. Badillo
B) Estructura floculenta.
Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros
menores de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se
sedimentan juntas; así, otras partículas pueden unirse al grupo, formando
un grumo, con estructura similar a un panal.
Cuando estos grumos llegan al fondo forman a su vez panales, cuyas
bóvedas no están ya formadas por partículas individuales, sino por los
grumos mencionados. El mecanismo anterior produce una estructura muy
blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada floculenta y, a veces,
panaloide de orden superior.
Las partículas menores de 0.0002 mm = 0.2 micra se consideran ya
coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión
indefinidamente, pues en ellas el peso ejerce poca influencia en
comparación con las fuerzas eléctricas desarrolladas entre las partículas
cargadas negativamente, según ya se dijo y con las fuerzas moleculares
ejercidas por la propia agua; cuando dos de estas partículas tienden a
acercarse, sus cargas ejercen una repulsión que las aleja de nuevo; las
vibraciones moleculares del agua impiden que las partículas se precipiten; el
resultado es un movimiento característico en rápido zigzag, conocido como
browniano (el botánico inglés Brown lo observó por vez primera al estudiar
suspensiones de clorofila al microscopio). Por este mecanismo, las
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partículas coloidales de suelo en suspensión no se sedimentarían jamás. Las
cargas eléctricas de las partículas coloidales pueden, sin embargo,
neutralizarse bajo la influencia de la adición de iones de carga positiva
opuesta; un electrólito, por ejemplo, un ácido tal como el clorhídrico, se
disocia en agua en iones positivos y negativos (Cl- y H+); por el efecto de
los iones H+ en solución, los coloides neutralizan sus cargas y chocan entre
sí, quedando unidos por las fuerzas de adherencia desarrolladas. De esta
manera pueden empezar a formarse los flóculos3 de mayor masa, que ya
tienden a depositarse.
Los flóculos se unen entre sí para formar panales, que se depositan
conjuntamente, formando al tocar fondo nuevos panales y dando lugar a
una forma extraordinariamente difusa de estructura floculenta, en la que el
volumen sólido puede no representar más de un 5-10%. La figura siguiente
muestra un esquema de tal estructura.
Imagen 4. Estructura floculenta
FUENTE: Mecánica de Suelos, J. Badillo
Conforme aumenta el peso debido a la sedimentación continua, las capas
inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante este proceso, las
partículas y grumos se acercan entre si y es posible que esta estructuración
tan poco firme en principio, alcance resistencias de importancia.
3 Masa floculada que es formada por la acumulación de partículas suspendidas. Puede ocurrir de forma natural,
pero es usualmente inducido e orden de ser capaz de eliminar ciertas partículas del agua residual.
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C) Estructuras compuestas.
Se considera que las estructuras anteriores rara vez se presentan puras en la
naturaleza, pues la sedimentación comprende partículas de todos los
tamaños y tipos, para las que rigen las leyes de la naturaleza de modo
diferente. Según las ideas hasta aquí expuestas sobre estructuración, lo
común sería encontrar en los suelos reales estructuras tales como la que
ilustra la figura siguiente. En estas formaciones se define un esqueleto
constituido por los granos gruesos y por masas coloidales de flóculos que
proporcionan nexo entre ellos.
Imagen 5. Estructura compuesta según A. Casagrande
FUENTE: Mecánica de Suelos, J. Badillo
La estructura que aparece en la Imagen 5 se ha formado en condiciones
que permiten la sedimentación de partículas gruesas y finas
simultáneamente; esto ocurre frecuentemente en agua de mar o lagos, con
contenido de sales apreciable, donde el efecto floculante de las sales
coexiste con el arrastre de vientos, corrientes de agua, etc.
El proceso de acumulación de sedimentos arriba de un cierto nivel, hace
que las capas inferiores se consoliden bajo el peso de las suprayacientes; las
partículas más gruesas se aproximan ocasionando que la arcilla floculada
entre ellas disminuya de volumen; la compresión resultante de la arcilla es
mayor en las zonas donde se encuentre más confinada, esto es, en las
regiones de aproximación entre los granos más gruesos, siempre y cuando
no haya flujo lateral de la masa en esas regiones. Si el incremento de carga
es rápido, existirá el flujo lateral y, consecuentemente, la masa coloidal
sufrirá un decremento en volumen más uniforme; pero en la naturaleza la
carga crece muy lentamente, por lo que el flujo lateral tiende a producirse
W. David Supo P.
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en mucho menor medida y las propiedades tixotrópicas de la materia
coloidal pueden ayudar eficazmente a impedirlo casi por completo. Así se
produce en las regiones de aproximación entre los granos gruesos una liga
arcillosa coloidal altamente consolidada que define fundamentalmente la
capacidad del esqueleto para soportar cargas. Estas ligas arcillosas están
sujetas a presiones mucho mayores que el promedio en la masa de suelo,
mientras que la arcilla que llena los vacíos del esqueleto se mantiene blanda
y suelta, sujeta a presiones comparativamente mucho menores. Con las
ideas anteriores es fácil entender la diferencia que presentan las arcillas en
propiedades mecánicas, entre los estados inalterado y remoldeado; el
remoldeo destruye la liga de arcilla altamente consolidada entre las
partículas gruesas y permite que la arcilla suave las rodee, actuando corno
lubricante entre ellas; como resultado, la consistencia en el estado
remoldeado será muy blanda. En tanto no sean destruidas las uniones
consolidadas, la arcilla se comporta elásticamente y posee resistencia a la
acción de las cargas, que depende principalmente de la presión a que fue
consolidada en la naturaleza; la deformación en la falla decrece a mayor
consolidación previa y a mayor diferencia entre la presión en las zonas
arcillosas de acercamiento y la presión promedio en toda la masa; esta
diferencia es tanto mayor cuanto más complicada sea la estructura (arcillas
marinas, por ejemplo).
Algunos autores han atribuido exclusivamente la diferencia de
comportamiento mecánico de las arcillas, entre los estados inalterado y
remoldeado, a las propiedades tixotrópicas de esos materiales. En efecto, la
tixotropía4 produce cierta rígidización reversible en una masa plástica,
aumentando la adherencia en los puntos de contacto; como este aumento
depende de la posición relativa de las partículas, existe una deformación
crítica que rompe la adherencia y vuelve blando al material. Es muy
probable, como ya se dijo, que la tixotropía coopere a la formación de la
estructura compuesta y a la coherencia de su esqueleto, impidiendo el flujo
4 La tixotropía en el suelo se emplea para describir un aumento de la resistencia con el tiempo sin variar su composición
(Lambe y Whitman, 1984b), la tixotropía se puede definir desde un punto de vista geotécnico como el proceso de
ablandamiento del suelo cuando es remoldeado y el tiempo en que empieza a retomar gradualmente su resistencia natural
cuando se deja en reposo, la tixotropía de un material está en función del tiempo de reposo del material, de lo difícil de su
condiciones originales, su contenido de agua y la porosidad del material (Mitchell, 1960, Das, 1997). Citado en (4)
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lateral de la masa coloidal en las regiones de acercamiento de los granos
gruesos; así, en cuanto mayor grado la propiedad se presente en las masas
coloidales, es mayor la posibilidad de mantener el depósito muy suelto bajo
grandes cargas. Sin embargo, la resistencia del material de la liga de arcilla,
no es función de la tixotropía, sino de la intensa concentración de carga en
aquellas ligas, la cual, a su vez, depende de la estructura adoptada y de la
carga máxima que el estrato haya soportado a lo largo de su historia
geológica.
D) Estructuras en “castillo de naipes”.
Algunos otros investigadores como Goldschmidt y Lambe han sugerido una
interpretación diferente sobre la génesis de una estructura floculenta y la
estructura resultante en sí. Según estas ideas la forma laminar típica de los
minerales de arcilla es fundamental en la estructuración resultante para los
suelos finos.
Las investigaciones realizadas en partículas de caolinitas, ilitas y
montmorillonitas demuestran que la longitud de ellas es del mismo orden
de magnitud que su ancho y que el espesor varía de 1/100 de estas
dimensiones, en las montmorillonitas, a 1/10 en las caolinitas, ocupando las
ilitas una posición intermedia. Con estos datos es posible estimar que la
superficie específica de estas partículas (metros cuadrados de área
superficial por gramo de peso) es del orden de 10 en las caolinitas, 80 en
las ilitas y 800 en las montmorillonitas; estas cifras cobran toda su
importancia al considerar la acción de las fuerzas superficiales como factor
que interviene en la estructuración, no siendo difícil concebir que tal factor
llegue a ser determinante.
Además en las investigaciones de referencia se ha podido notar que, si bien
la partícula de suelo posee carga negativa, según ya se dijo, parece cierto
que en sus aristas existe una concentración de carga positiva que hace que
esa zona localizada se atraiga con la superficie de cualquier partícula,
vecina. Tomando esto en consideración, los investigadores mencionados
han propuesto para las arcillas una estructura tal como la que se muestra en
la figura siguiente, a la cual se ha denominado en "castillo de naipes" o
floculada.
W. David Supo P.
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Imagen 6. Estructura en “castillo de naipes”
FUENTE: Mecánica de Suelos, J. Badillo
Debe notarse que, según esta hipótesis de estructuración, también
corresponde al suelo un importante volumen de vacíos y que las reflexiones
anteriores sobre consolidación de zonas bajas por el peso de las
suprayacientes conservan su validez.
E) Estructura dispersa
Algunas investigaciones modernas han indicado que una hipótesis
estructural del tipo de "castillo de naipes", en la cual las partículas tienen
contactos mutuos, si bien puede aceptarse como real en muchos casos,
quizá no es la más estable en la que pudiera pensarse. Cualquier
perturbación que pueda existir, como deformación por esfuerzo cortante,
tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de
material. Conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones
osmóticas inversamente proporcionales al espaciamiento entre ellas. Las
presiones osmóticas tienden a hacer que las partículas se separen y adopten
una posición tal como la que esquemáticamente se muestra en la figura
siguiente.
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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Imagen 7. Estructura dispersa
Aunque a primera vista no lo parezca, algunos autores opinan que este
arreglo es el más estable; ésta es la estructura dispersa.
En las partes a) y b) de la figura se muestra el mecanismo por el cual la
presión osmótica5 tiende a hacer, para llegar a una condición más
uniforme, que las partículas se separen. En la parte c) se muestra la
estructura en su condición final.
Debe hacerse notar que el conjunto de estructuras antes someramente
descrito no constituye una serie de posibilidades reales en la naturaleza,
sino, simplemente, algunas de las hipótesis de estructuración de que hoy se
habla. Muchos investigadores, que aceptan alguna de las explicaciones
anteriores, rechazan otras y no existe pleno acuerdo al respecto. También
ha de observarse que con las estructuras en "castillo de naipes" o dispersa
se generarán estructuras compuestas análogas a las ya tratadas con las
formas estructurales más clásicas.
5La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de
disolvente a través de una membrana semipermeable.
W. David Supo P.
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2.1.4. ARCILLA Y MINERALES ARCILLOSOS
Las arcillas son substancias terrosas formadas principalmente por silicatos6
alumínicos con materia coloidal y trozos de fragmentos de rocas, que generalmente
se hacen plásticas cuando están húmedas y pétreas a altas temperaturas. Estas
propiedades dan a las arcillas su utilidad, puesto que se les puede moldear en casi
todas las formas, las cuales conservan después de ser sometidas a la acción del
fuego. La arcilla tiene muchos otros usos además de la cerámica, principalmente en
la construcción e industria.
La arcilla no es un mineral sino un agregado de minerales y de substancias
coloidales que se han formado mediante la desintegración química de las rocas
alumínicas. Está compuesta principalmente por sílice, alúmina y agua; conteniendo
también otras substancias como fragmentos de rocas, de óxidos hidratados de
hierro, álcalis y materiales coloidales. En esencia los minerales de la arcilla son
silicatos de aluminio. En algunas arcillas los elementos alcalinos se presentan
como constituyentes; en otras el magnesio, el hierro o ambos elementos sustituyen
total o parcialmente al aluminio. La mayoría de las arcillas se han formado por la
desintegración de rocas con un alto contenido de alúmina, a pesar de que algunas
son producto del metamorfismo. Estas últimas aparecen sólo en pequeñas
cantidades.
Como roca, en geología una arcilla es un material fino, terroso, natural, compuesto
por los minerales arcillosos. De esta forma se incluyen, además de las arcillas
propiamente dichas, las lutitas y los suelos que tengan propiedades argiláceas.
Según el origen se puede distinguir dos categorías de arcillas: las residuales y las
transportadoras, dentro de estas últimas se encuentran las (a) marinas, (b) lacustres,
(c) aluviales, (d) estuarias, (e) deltaicas, (f) glaciales y (g) eólicas.
Por consiguiente, desde el punto de vista geológico las arcillas tienen una
distribución prácticamente universal; a pesar de ello los yacimientos de alta calidad
son difíciles de localizar.
Las propiedades físicas más importantes de las arcillas son: (1) plasticidad, que
permite que sea moldeada; (2) resistencia a compresión, tensión o cizallamiento; (3)
6Los silicatos son el grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre, además
del grupo de más importancia geológica por ser petrogénicos, es decir, los minerales que forman las rocas. Todos los silicatos
están compuestos por silicio y oxígeno. Estos elementos pueden estar acompañados de otros entre los que destacan aluminio,
hierro, magnesio o calcio.
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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retracción tanto en el secado como mientras está en el horno; (4) temperatura de
cocción y vitrificación; y (5) color de calcinación, que se debe principalmente a los
óxidos de hierro presentes.
Hay dos unidades elementales para armar la estructura de los minerales arcillosos.
Una es la unidad de sílice:
Imagen 8. Unidad de sílice
En la que cuatro oxígenos forman las puntas de un tetraedro y encierra un átomo de
silicio, produciendo una unidad de 4.6 Å7 de alto aproximadamente. En la otra
unidad está encerrado un átomo de aluminio o magnesio (y a veces Fe, Ti, Ni, Cr, o
Li) por seis oxidrilos, que tiene la configuración de un octaedro de alrededor de 5.05
Å de altura.
Imagen 9. Unidad octaédrica
7Å = Angstrom = 10-10 m
W. David Supo P.
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La unidad octaédrica se llama brucita si el átomo metálico es principalmente
magnesio y gibsita si es aluminio. Todas las combinaciones posibles de estas
unidades básicas para formar minerales arcillosos producen una carga negativa en el
exterior de los grumos. Una suspensión de suelo suelo-arcilloso-agua tendrá, en
consecuencia, una reacción alcalina (pH >7) a menos que el suelo esté
contaminado con una substancia acidificante.
A) Caolinita Al2(OH)4[Si2O5]
El nombre “caolinita” es una modificación de
“Kauling”, el nombre de un risco alto de una
colina cerca de Jauchau Fu, China, donde
hace varias centurias se obtuvo una arcilla
blanca caolinítica. El término caolín
comprende actualmente varios minerales
arcillosos distintos.
La unidad estructural de caolinita consta de
capas alternadas de tetraedros de silicio con
las puntas embebidas en una unidad
octaédrica de alúmina (gibsita). Esta
alternancia de capas de silicio y gibsita
produce lo que a veces se llama una unidad básica 1:1. La lámina unitaria plana
resultante es de alrededor de 7 Å de espesor y se extiende infinitamente (relativa a 7
Å) en las otras dos direcciones.
Imagen 10. Capa de tetraedros de caolinita
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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Imagen 11. Capa de octaedros de caolinita
Tabla 5. Estructura de la caolinita, Al2(OH)4[Si2O5]
(a)
(b)
(c)
(d)
a)Estructura atómica, b) diagrama simplificado, c) representación simbólica, d) Estructura
completa de la caolinita.
W. David Supo P.
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El grumo de caolinita es una pila de 70 a 100 o más de estas láminas de 7 Å, como
un libro con enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals en la interface.
Imagen 12. Microfotografía de Caolinita
FUENTE: (2)
Imagen 13. Lámina simple de caolinita de aprox. 1.5 µ de longitud
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Las arcillas caoliníticas y haloisíticas se utilizan en abundancia para fabricar
porcelana, debido a la ausencia de hierro y subsecuente descoloración de éste a
altas temperaturas. La arcilla caolinítica es ampliamente usada como absorbente
intestinal para combatir infecciones estomacales, i.e., en medicamentos
antidiarréicos y para desórdenes digestivos.
La caolinita tiende a ser encontrada en regiones de fuerte precipitación pluvial como
en el sudeste de Estados Unidos, China, partes de Europa, Sudamérica y otras áreas
más locales.
B) Ilita.
La ilita es un término genérico para designar un grupo de arcillas descubiertas en
Illinois. Estos minerales arcillosos tienen la ecuación general:
(OH)4Ky(Si8-yAly)(Al4 Mg6 Fe4 Fe6)O20
En la que “y” está entre 1 y 1.5. La ilita se obtiene principalmente de la muscovita
(mica) y las biotitas y a menudo se llama arcilla micácea.
La ilita consiste en una lámina de gibbsita enlazada a dos láminas de sílice, una arri-
ba y otra abajo, y es denominada a veces mica arcillosa. Las capas de ilita están
enlazadas entre sí por iones de potasio. La carga negativa para balancear los iones
de potasio proviene de la sustitución de aluminio por silicio en las láminas
tetraédricas. Esto produce un mineral 1:2 con la diferencia adicional de que algunas
de las posiciones del silicio están llenadas con átomos de aluminio y de que entre las
capas están adheridos iones potasio para producir la deficiencia de carga. Esta unión
se traduce en una condición menos estable que la de la caolinita y, en consecuencia,
la actividad de la ilita es mayor.
La sustitución de un elemento por otro, sin cambio en la forma cristalina, se conoce
como sustitución isomorfa8. Las partículas de ilita tienen generalmente dimensiones
que varían entre 1000 y 5000 Å y espesores de 50 a 500 Å. La superficie específica
de las partículas es aproximadamente de 80 m2/g.
Las arcillas ilíticas y vermiculíticas y las lutitas arcillosas son ampliamente usadas en
la confección de agregados livianos.
8 Dos sustancias con la misma estructura cristalina se dice que son isomorfas. (6)
W. David Supo P.
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Las arcillas ilíticas se encuentran por lo común en áreas de precipitación pluvial
moderada como en la parte central de Estados Unidos, Inglaterra y Europa.
Imagen 14. Microfotografía de ilita
FUENTE: (2)
C) Montmorillonita.
Montmorillonita fue el nombre dado (1847) a un mineral arcilloso encontrado en
Montmorillon, Francia, y de fórmula general
(OH)4 Si8 Al4 O20 nH2O
En la que nH2O es la intercapa (n capas) de agua absorbida. También se usa el
término esmectita para este grupo de minerales arcillosos.
La montmorillonita está formada de unidades laminares ordenadas, también como
una unidad 1:2, tal como se puede apreciar en la imagen siguiente:
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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Imagen 15. Diagrama de la estructura de la montmorillonita
El enlace interlaminar está constituido principalmente por la fuerzas de Van der
Waals y es, en consecuencia muy debil si se compara con los enlaces hidrógeno u
otros iones. Se producen varias sustituciones, incluyendo Al por Si en el tetraedro y
Mg, Fe, Li o Zn por Al en la capa octaédrica. Estos intercambios producen una carga
negativa neta relativamente grande en el mineral con la resultante gran capacidad de
intercambio de cationes y afinidad por el agua con los iones H+ en la ausencia de
iones metálicos.
La bentonita es una arcilla montmorilonítica que se encuentra en depósitos
volcánicos parcialmente meteorizados en Wyoming, Suiza y Nueva Zelandia. Este
mineral arcilloso es particularmente activo en términos de expansión en presencia de
agua y ha sido extensamente empleado en la perforación de pozos petrolíferos y en
la exploración de suelos, como lodo de perforación y como lechada arcillosa. La
bentonita es algo variable en sus propiedades dependiendo de su origen y del grado
de meteorización del material volcánico original. En la actualidad, se encuentran
disponibles sacos con arcillas de alta actividad, que son ofrecidos con ligereza como
“bentonita”, aunque son simplemente arcillas montmorilloníticas.
W. David Supo P.
27
Imagen 16. Microfotografía de montmorillonita
FUENTE: (2)
La montmorillonita tiene una estructura similar a la ilita, es decir, una lámina de
gibbsita intercalada entre dos láminas de sílice. En la montmorillonita hay sustitución
isomorfa9 de magnesio y hierro por aluminio en las láminas octaédricas. Los iones
de potasio no están aquí presentes como en el caso de la ilita y una gran cantidad de
agua es atraída hacia los espacios entre las capas. Las partículas de montmorillonita
tienen dimensiones laterales de 1000 a 5000 Å y espesores de 10 a 50 Å. La
superficie específica es aproximadamente de 800 m2/g.
9Isomorfismo mineral. En mineralogía y química se llama isomorfismo el fenómeno por el que dos sustancias distintas, por el
hecho de presentar la misma estructura, distribución de átomos y dimensiones en sus moléculas, son capaces de formar
conjuntamente una sola red cristalina.
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
28
(a)
(b)
(c)
(d)
a) Estructura atómica, b) diagrama simplificado, c) representación simbólica, d) Estructura
completa de la caolinita.
Figura 1. Tamaños de partículas de suelo
FUENTE: (3)
W. David Supo P.
29
2.2. CLASIFICACIÓN DE SUELOS
Para clasificar un suelo en la actualidad existen diversos criterios; dos de los cuales son de
amplia aceptación en todo el hemisferio occidental y gran parte de los países asiáticos y
europeos
a) El sistema de la AASHTO
b) El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)
Para ambos sistemas de deben ejecutar ensayos previos en las muestras de suelo por
clasificar, estos son el análisis granulométrico y plasticidad.
2.2.1. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN AASHTO
Este sistema de clasificación fue desarrollado en 1929 como el Public Road Administration
Classification System (Sistema de Clasificación de la Oficina de Caminos Públicos). Ha
sufrido varias revisiones, con la versión actual propuesta por el Committee on Classification
of Materials for Subgrades and Granular Type Roads of the Highway Research Board
(Comité para la Clasificación de Materiales para Subrasantes y Caminos Tipo Granulares del
Consejo de Investigaciones Carreteras) en 1945 (Prueba D-3282 de la ASTM; método
AASHTO M145). El Sistema de Clasificación AASHTO clasifica una muestra de suelo en
siete grupos mayores: A-l al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-l, A-2 y A-3 son
materiales granulares, donde 35% o menos de las partículas pasan por la criba No. 200. Los
suelos de los que más del 35% pasan por la criba No. 200 son clasificados en los grupos A-
4, A-5, A-6 y A-7. La mayoría están formados por materiales tipo limo y arcilla. (2)
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
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Tabla 6. Clasificación de materiales para subrasantes de carreteras
Fuente: AASHTO M 145-82 (Specifications - Parte 1, 1986). ASTM D 3282-93
Tabla 7. Clasificación de suelos y mezclas de suelo-agregado
FUENTE: (3)ASTM D 3282-93 R04
W. David Supo P.
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1. Tamaño del grano: Grava: fracción que pasa la malla de 75 mm y es retenida en la
malla No. 10 (2 mm) de Estados Unidos, Arena: fracción que pasa la malla No. 10 (2
mm) U.S. y es retenida en la malla No. 200 (0.075 mm) U.S. Limo y arcilla: fracción
que pasa la malla No. 200 U.S.
2. Plasticidad: El término limoso se aplica cuando las fracciones de finos del suelo tienen
un índice de plasticidad de 10 o menor. El término arcilloso se aplica cuando las
fracciones de finos tienen un índice de plasticidad de 11 o mayor.
3. Si cantos rodados y boleos (tamaños mayores que 75 mm) están presentes, éstos se
excluyen de la porción de la muestra de suelo que se está clasificando. Sin embargo, el
porcentaje de tal material se registra.
Para clasificar un suelo de acuerdo con la Tabla 6. Clasificación de materiales para
subrasantes de carreteras, los datos de prueba se aplican de izquierda a derecha. Por un
proceso de eliminación, el primer grupo desde la izquierda en el que los datos de prueba se
ajusten, es la clasificación correcta.
Para la evaluación de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras, se
incorpora también un número llamado índice de grupo (GI) junto con los grupos y
subgrupos del suelo. Este número se escribe en paréntesis después de la designación de
grupo o de subgrupo. El índice de grupo está dado por la ecuación:
Ecuación 1. Índice de Grupo
Donde: F = porciento que pasa la malla No. 200 LL = límite líquido PI = índice de plasticidad
El primer término de la ecuación Ecuación 1: (F - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)], es el
índice de grupo parcial determinado a partir del límite líquido. El segundo término: 0.01 (F -
15)(PI - 10), es el índice de grupo parcial determinado a partir del
índice de plasticidad. A continuación se dan algunas reglas para determinar el índice de
grupo:
1. Si la ecuación Ecuación 1 da un valor negativo para GI, éste se toma igual a 0.
2. El índice de grupo se redondea al número entero más cercano (por ejemplo, GI = 3.4 se
redondea a 3; GI = 3.5 se redondea a 4).
GI = (F - 35) [0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01 (F - 15)(PI - 10)
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
32
3. No hay un límite superior para el índice de grupo.
4. El índice de grupo de suelos que pertenecen a los grupos A-l-a, A-l-b, A-2-4, A-2-5, y A-
3 siempre es 0.
5. Al calcular el índice de grupo para suelos que pertenecen a los grupos A-2-6 y A-2-7, use
el índice de grupo parcial para PI ó
GI = 0.01(F - 15)(PI - 10)
En general, la calidad del comportamiento de un suelo como material para subrasantes es
inversamente proporcional al índice de grupo. (2)
Con la Figura 2, se puede determinar gráficamente el índice de grupo.
Figura 2. Carta de índice de grupo
FUENTE: (3)ASTM D 3282-93 R04
W. David Supo P.
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Para clasificar los materiales finogranulares a partir de los valores de LL y de IP utilice la
Imagen 17. Todos los valores de límites de consistencia se presentan como números enteros.
Si aparecen números fraccionarios en los informes de ensayo, aproxímelos al número entero
más próximo para utilizarlo en la clasificación.
Imagen 17. Carta de plasticidad AASHTO
2.2.1.1. Ejemplos de cálculo de IG
Los siguientes ejemplos ilustran los cálculos para obtener el índice de grupo.
- Un material A-6 tiene 55% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 40 y un IP de
25, entonces:
índice de grupo= (55-35)[0.2+0.005(40-40)]+[0.01 (55-15)(25-10)]
= 4+6
= 10
- Un material A-7 tiene 80% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 90 y un IP de
50, entonces:
índice de grupo= (80-35) [0.2+0.005(90-40)]+[0.01 (80-15)(50-10)]
= 20.3+26
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34
= 46.3 (regístrelo como 46)
- Un material A4 tiene 60% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 25 y un IP de
1, entonces:
índice de grupo= (60-35)[0.2+0.005(25-40)]+[0.01(60-15)(l-10)]
= 3.1-4.1 = -1.0 (regístrelo como cero)
- Un material A-2-7 tiene 30% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 50 y un IP
de 30, entonces:
índice de grupo = 0.01(30-15) (30-10)
= 3
(Note que sólo se utilizó la parte de la formula que contiene el IP)
2.2.1.2. Discusión del índice de grupo
a) Los valores del índice de grupo, deben ser utilizados solo para comparar suelos dentro
del mismo grupo y no entre grupos diferentes.
b) La fórmula empírica del índice de grupo diseñada para conseguir una evaluación
aproximada intragrupo de los materiales granulares arcillosos, y los materiales
limoarcillosos, se basa en las siguientes suposiciones.
- Los materiales que se encuentran en los grupos A-l-a, A-l-b, A-2-4, A-2-5 y A-3 son
adecuadas como subrasantes cuando están adecuadamente drenados y
compactados bajo un espesor moderado de pavimento (base y carpeta de
rodadura) de un upo adecuado para el tráfico que soportará, o que puede
adecuarse por adiciones de pequeñas cantidades de ligantes naturales o artificiales.
- Los materiales granulares arcillosos de los grupos A-2-6 y A-2-7 y los materiales
limosos y arcillosos de los grupos A-4, A-5, A-6, y A-7, pueden calificarse para su
utilización en subrasantes desde adecuadas como materiales de subbase
equivalentes a las categorías A-2-4 y A-2-5, hasta regulares e inadecuadas hasta el
punto de requerir una capa de subbase o una capa mayor de base que la requerida
de acuerdo con la suposición anterior, para proporcionar un adecuado soporte a las
cargas de tráfico.
W. David Supo P.
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- Se supone que un 35% o más de material que pasa el tamiz de 75 µm (#200) es
crítico si se omite la plasticidad, pero el mínimo crítico es sólo el 15% cuando se ve
afectado por IP mayor que 10.
- Se supone que el LL igual o mayor que 40 es crítico.
- Se supone que el IP igual o mayor que 10 es crítico.
c) No hay un límite superior de valor de índice de grupo obtenido por esta fórmula: Los
valores críticos adoptados del porcentaje que pasa el tamiz de 75 µm (#200), el LL, y el
IP, están basados en una evaluación de los materiales de subrasante, subbase y base
por varias entidades que utilizan los ensayos involucrados en este sistema de
clasificación.
d) Bajo condiciones promedias de drenaje y una compactación completa y adecuada,
puede suponerse que la calificación de un material como subrasante, tiene una relación
inversa con su índice de grupo: esto es, un índice de grupo de 0 indica un buen material
de subrasante "bueno", y un índice de grupo igual a 20 o mayor, indica un material de
subrasante "muy malo".
2.2.1.3. Ejemplos de clasificación por el sistema AASHTO
Clasifique los siguientes suelos:
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
36
2.2.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS S.U.C.S.
Este sistema fue propuesto por Arthur Casagrande como una modificación y adaptación
más general a su sistema de clasificación propuesto en 1942 para aeropuertos.
Como se observa en la Tabla 8, los suelos de partículas gruesas y los suelos de partículas
finas se distinguen mediante el cribado del material por la malla # 200. Los suelos gruesos
corresponden a los retenidos en dicha malla y los finos a los que la pasan, y así un suelo se
considera grueso si más del 50% de las partículas del misino son retenidas en la malla 200, y
fino si más del 50% de sus partículas son menores que dicha malla.
Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un
prefijo y un sufijo. Los prefijos son las iniciales de los nombres ingleses de los seis principales
tipos de suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turba) mientras
que los sufijos indican subdivisiones en dichos grupos.
UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I
38
2.2.2.1. SUELOS DE PARTICULAS GRUESAS
En los suelos gruesos se tienen las gravas (G) y las arenas (S) de tal modo que un
suelo pertenece al grupo de las gravas (G) si más de la mitad de la fracción gruesa
es retenida por la malla #4, y pertenece al grupo de las arenas (S) en caso
contrario.
Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM, GC y
(SW, SP, SM, SC) respectivamente, como puede verse en la Tabla 8.
En el símbolo GW, el prefijo G (gravel) se refiere a las gravas y W (Well graded)
quiere decir bien graduado. De igual modo el símbolo GP indica gravas
pobremente graduadas o mal graduadas (poorly graded gravel), el símbolo GM
indica gravas limosas, en la que el sufijo M proviene del sueco mo, y el símbolo GC
indica gravas arcillosas. El sufijo C indica arcilla (clay).
De igual manera los símbolos SW, SP, SM y SC, indican arenas (sands) bien
graduadas, arenas mal graduadas, arenas limosas y arenas arcillosas,
respectivamente.
El criterio de clasificación de estos suelos en el laboratorio viene indicado en el lado
superior derecho de la tabla.
2.2.2.2. SUELOS DE PART’ICULAS FINAS
También en los suelos finos el sistema unificado los considera agrupados en tres
grupos para los limos y arcillas con límite líquido menor de 50%, en tres grupos
para los limos y arcillas con límite líquido mayor de 50% y en un grupo para los
suelos finos altamente orgánicos. Si el límite líquido del suelo es menor de 50%, es
decir, si el suelo es de compresibilidad baja o media, se añade el sufijo L (low
compresibility) a los prefijos M, C y O, obteniéndose de ese modo los símbolos ML
(limos inorgánicos de baja compresibilidad) y CL (arcillas inorgánicas de baja
compresibilidad) y OL (limos orgánicos de baja compresibilidad).
Si el límite líquido es mayor de 50%, es decir, si el suelo es de compresibilidad alta,
se añade el sufijo H (high compresibility) a los prefijos M, C y O, obteniéndose así
los símbolos MH (limos orgánicos de alta compresibilidad), CH (arcillas inorgánicas
de alta compresibilidad) y OH (arcillas orgánicas de alta compresibilidad).
Los suelos altamente orgánicos, como las turbas, se designan con el símbolo Pt.
W. David Supo P.
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3. Bibliografía
1. Bowles, Joseph E. Propiedades Geofísicas de los Suelos. Bogota - Colombia : McGraw-
Hill Inc., 1982.
2. K. Terzaghi, et. al. Soil Mechanics in Engineering Practice. Toronto : Jhon Wiley &
Sons, Inc., 1996. ISBN 0-471-08658-4.
3. T. William Lambe, Robert V. Whitman. Mecánica de Suelos. México : Limusa, 1999.
ISBN 9681818946 9789681818944.
4. Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. s.l. : [S.l.]: Cengage Learning
Latin Am, 2001.
5. ASTM. ASMT Designation: D 3282 - 93 (Reapproved 2004). May de 2004.
6. Análisis de la pérdida de resistencia por remoldeo de suelos arenosos de la zona estuarina
de Nayarit. J. C. Romero-Cervantes, M. L. Pérez-Rea. 2, Querétaro - México :
Universidad de Guanajuato, Septiembre de 2008, Enlace Químico, Vol. 2. 04-2006-
022718133800-102.
7. Wild, A. Condiciones del suelo y desarrollo de las plantas segun Russell. Madrid : Mundi
Prensa Libros, S.A., 1992. ISBN 9788471144003.
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